(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を含むコアと、前記コアへの励起光を伝播するインナークラッドと、前記励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備え、前記インナークラッドは、前記励起光が導入される略円形の断面形状を持つ励起領域と、前記コアを含む概円形の断面形状を持つ発振領域から成り、前記励起領域と前記発振領域の接合部分の幅を長さ方向に沿って変化させたダブルクラッドファイバ。
【請求項２】
前記接合部分の幅が最大になるときに、前記コアと前記励起領域の双方に外接する接線が、前記インナークラッドに含まれる形状とした請求項１記載のダブルクラッドファイバ。
【請求項３】
前記発振領域の前記接合部分以外の部位に断面形状が平坦となる平坦部を設けた請求項１記載のダブルクラッドファイバ。
【請求項４】
１つ以上の励起光入射端面を有し、前記励起光入射端面からの距離の増加に伴って前記接合部分の幅を増加させた請求項１から請求項３のいずれかに記載のダブルクラッドファイバ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザに用いるダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料加工に用いられるレーザの光源としてファイバレーザ装置が注目されている。
【０００３】
なかでも、ダブルクラッドファイバの採用により、従来では固体レーザでしか実現できなかった高出力レーザ光を要する材料加工分野への普及が見られている。
【０００４】
このようなファイバレーザ装置の場合、高品質なレーザ光を取り出す観点からコア径の大径化には限界があり、一方、高出力レーザ光を取り出す観点からは、高出力な励起光が必要となるが、高出力な励起光は集光性が悪く、大きな断面積をもつインナークラッドが必要とされている。
【０００５】
そこで従来の高出力のファイバレーザ装置に用いているダブルクラッドファイバは、大きな断面積をもつインナークラッドとして励起光を導入する導波路とレーザ光を発生する導波路を一体として並行に設けているものもある（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
また、大きな断面積をもつインナークラッドにおいて発生し易いスキュー光（レーザ光発生に寄与しない光）低減のためにインナークラッドの一部に平坦部を設けているものもある（例えば特許文献３参照）。
【０００７】
図１０及び図１１は従来のダブルクラッドファイバの断面を示す図で、レーザ媒質である希土類が添加され、発生するレーザ光を閉じ込めるコア１０１と、このコア１０１への励起光を伝播させるインナークラッド１０２がコア１０１の外部およびコア１０１を包むインナークラッド１０２と併設され、このインナークラッド１０２を包むように励起光を閉じ込めるアウタークラッド１０３を設けていた。
【０００８】
なお、インナークラッド１０２はコア１０１を包む発振領域と、励起光を導入する励起領域で構成され、その断面形状は図１０に示したように励起領域と発振領域を略円形状としたり、図１１に示したように発振領域は略円形とし、励起領域の一部に平坦部を設けた形状としており、図１０、１１に示すようにダブルクラッドファイバの全長に渡って同一形状としていた。
【０００９】
以上のように構成されたダブルクラッドファイバについて、その動作を説明する。
【００１０】
インナークラッド１０２に励起光を注入し、この注入された励起光はインナークラッド１０２を伝播する。
【００１１】
伝播中、励起光はコア１０１を横断してレーザ媒質である希土類を励起し、励起光を生じ、ダブルクラッドファイバ両端に設けられた光共振器（図示せず）によりレーザ光として取り出すようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１４４３５０号公報（第１図）
【特許文献２】特許第３８２７８１９号公報（第３図）
【特許文献３】特表平１０−５１０１０４号公報（第３図及び第４図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来のダブルクラッドファイバは、ファイバ長さ方向に対して同一断面形状であるため、レーザ光発生に寄与しないスキュー光が発生した場合、そのスキュー光が低減しないという課題を有していた。
【００１４】
また、スキュー光低減のためにインナークラッド１０２の励起領域の一部に平坦部を設けた場合、導入する励起光の形状をインナークラッド１０２の形状に合わせる必要があるが、一部に平坦部を設けた形状に励起光を整形することが難しく、円形の励起光を用いらなければならないので、この平坦部の部分の励起光が反射されてしまい高効率な励起光導入が出来なかったり、または、励起光が反射さられないように励起光を細径化しなければならないという課題を有していた。
【００１５】
さらに、平坦部を形成するためにはファイバ母材を平面状に鏡面研削する必要があり、コスト的にも母材の大型化にも不利なものであった。
【００１６】
本発明はこれら従来の課題に鑑み、スキュー光を低減させると同時に、励起光を効率よく導入できるダブルクラッドファイバを提供することを第１の目的とし、効率よくレーザ光を取り出すことができるファイバレーザ装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明のダブルクラッドファイバおよびファイバレーザ装置は、レーザ媒質を含むコアと、前記コアへの励起光を伝播するインナークラッドと、前記励起光を閉じ込めるアウタークラッドを備え、前記インナークラッドは、前記励起光が導入される略円形の断面形状を持つ励起領域と、前記コアを含む概円形の断面形状を持つ発振領域から成り、前記励起領域と前記発振領域の接合部分の幅が長さ方向に沿って変化させたものである。
【００１８】
このようにダブルクラッドファイバの長さ方向に接合部分の幅が変化するのでインナークラッド内のスキュー光の光路が長さ方向に対して変化し、スキュー光を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明は、インナークラッドの励起領域と発振領域の接合部分の幅を長さ方向に沿って変化させることにより、高効率な励起光導入を実現するとともに簡単な構成でスキュー光を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの実施の形態における断面図
【図３】本発明の実施の形態1におけるファイバレーザ装置の概略構成図
【図４】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図
【図５】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図
【図６】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図
【図７】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図
【図８】本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図
【図９】本発明のダブルクラッドファイバの他の実施の形態における断面図
【図１０】従来のダブルクラッドファイバ断面図
【図１１】従来のダブルクラッドファイバ断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態例について、図を用いて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの断面図、図２は本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの実施の形態における断面図、図３は本発明の実施の形態1におけるファイバレーザ装置の概略構成図、図４から図８は本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの原理を説明する断面図である。
【００２３】
図１において、レーザ光を発生し、伝送するコア１１はレーザ媒質である希土類、望ましくはイッテルビウム（Ｙｂ）を少なくとも添加した石英ガラスで構成し、その断面形状は、ほぼ円形で、本実施の形態では直径を１０マイクロメートルにしているが、このコア１１の直径は１０マイクロメートルから３０マイクロメートル程度まで選択することが可能で、コア１１の直径が大きなほど励起光を吸収しやすい利点はあるが、反面出射されるレーザビームの品質低下を招くため、所望のレーザビーム品質となる様、コアの屈折率と併せて設計することができる。
【００２４】
また、コア１１への励起光を伝播するインナークラッド１２は石英ガラスで構成し、コア１１を含み概ね円形の断面を有する発振領域１２ａと、励起光が導入される概ね円形断面を有する励起領域１２ｂと、および、それぞれが溶融一体化した接合部分１４から構成している。
【００２５】
そして本実施の形態では、このように構成したダブルクラッドファイバの全長は数メートルから数十メートルであり、図２に示すように、その断面形状はダブルクラッドファイバ１０の長さ方向に沿って変化させている。
【００２６】
このダブルクラッドファイバ１０の両端面（１Ａ点、及び、１Ｅ点）における、インナークラッド１２の断面形状は二つの円を重ねた達磨形状であり、それぞれ直径４００マイクロメートルの円形で、その接合部分１４の幅は約２０マイクロメートルである。
【００２７】
図２に示すように１Ａ点からダブルクラッドファイバ１０の長さ方向中央付近（１Ｃ点）に向かってインナークラッド１２の断面形状は、励起領域１２ｂと発振領域１２ａの一部が溶融一体化した接合部分を有する形状であり、加えて、その溶融一体化した接合部分１４の幅は、長さ方向中央付近（１Ｃ点）に近づくにつれて増加している。
【００２８】
同様に、１Ｅ点から１Ｃ点に向かってインナークラッド１２の形状は、励起領域１２ｂと発振領域１２ａの一部が溶融一体化した接合部分を有する形状であり、加えて、その溶融一体化した接合部分１４の幅は１Ｃ点に近づくにつれて増加している。
【００２９】
なお、インナークラッド１２は、発振領域１２ａとなる円形断面クラッドに囲まれた希土類をドープしたコアを持つ希土類ドープファイバ母材と、励起領域１２ｂとなる円形断面を持つ無水合成石英母材を一括線引することで得られる。
【００３０】
そして、溶融一体化した接合部分の幅は、線引工程での紡糸炉温度や母材を炉に送る速度、線引張力などで、制御することが可能である。
【００３１】
アウタークラッド１３は上記線引き後のコーティングで用いる低屈折率ポリマーであり、ダブルクラッドファイバ１０を保護する。
【００３２】
また、その屈折率は、コア１１、インナークラッド１２、アウタークラッド１３の順に低くなる構造である。インナークラッド１２の屈折率は、発振領域１２ａと励起領域１２ｂの屈折率が同じことが望ましい。
【００３３】
図３に示すファイバレーザ装置では、電源２０は励起光を発生するファイバ付き半導体レーザ２１に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ２１を駆動するようにしている。
【００３４】
ファイバ付き半導体レーザ２１のファイバは、コア直径４００マイクロメートル、クラッド直径４４０マイクロメートルであり、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ａ点において、そのコアはインナークラッド１２の励起領域１２ｂに接続している。
【００３５】
同様に、電源２５は励起光を発生するファイバ付き半導体レーザ２６に接続しており、ファイバ付き半導体レーザ２６を駆動するようにしている。
【００３６】
ファイバ付き半導体レーザ２６のファイバは、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ｅ点において、そのコアをインナークラッド１２の励起領域１２ｂに接続している。
【００３７】
また、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ａ点においては、上記の接続に併せて、コア直径１０マイクロメートル、クラッド直径４００マイクロメートルのファイバ型の所望の波長の光を帰還する高反射端２８を発振領域１２ａのコア１１に接続している。
【００３８】
一方、ダブルクラッドファイバ１０の端面１Ｅ点においては、上記の接続に併せて、コア直径１０マイクロメートル、クラッド直径４００マイクロメートルのファイバ型のレーザ出力を取り出す伝送用ファイバ２９を発振領域１２ａのコア１１に接続している。
【００３９】
以上のように構成されたダブルクラッドファイバおよびファイバレーザ装置でのスキュー光低減の原理について、以下に図４から図８を用いて説明する。
【００４０】
一般に、スキュー光は光ファイバの伝播軸に沿って螺旋を描いて進むため、その光路を光ファイバの伝播軸と垂直に交差する面に投影すると、スキュー光はある内接円に沿った軌跡を描く。
【００４１】
この内接円の直径がコア１１よりわずかに大きい程度であり、非常に小さな直径の内接円に投影されるスキュー光は、コア１１を通過しないものの、非常に子午線光に近いスキュー光に相当する。
【００４２】
逆に、内接円の直径が励起領域１２ｂの直径と同程度であり、非常に大きな直径の内接円に投影されるスキュー光は、インナークラッド１２内で、コア１１から最も離れた部分を通過するもので、子午線光から最もかけ離れたスキュー光に相当する。
【００４３】
以下、様々な光路のスキュー光を、投影面に描かれる内接円の直径の大小により区別して表現する。
【００４４】
図４に示すものは、接合部分１４が点で溶融一体化しておらず、いわゆる励起領域１２ｂ断面と発振領域１２ａ断面が点で接しているだけの場合を示す。
【００４５】
この場合、励起領域１２ｂの光線が発振領域１２ａに伝播するときに通過する光路は接点部分のみである。図４において、ある大きな内接円５１に沿ったスキュー光５４が励起領域１２ｂから発振領域１２ａに伝播する場合を考える。
【００４６】
スキュー光５４が励起領域１２ｂから発振領域１２ａに伝播しても、このスキュー光は発振領域１２ａ内において内接円５１と同じ直径の内接円５６に沿ったスキュー光となる。
【００４７】
そのため、内接円５１と同じ直径の内接円５６に沿ったスキュー光５８が発振領域１２ａから励起領域１２ｂに戻ってきた場合、再度、内接円５１に沿ったスキュー光となる。
【００４８】
また、小さな直径の内接円５２に沿ったスキュー光５３についても同様で、発振領域１２ａ内において同じ直径の内接円５５に沿ったスキュー光５７になる。
【００４９】
従って、内接円の直径が変化しない限りスキュー光は同じ場所を通過しており、コアを横切ることがない。
【００５０】
図５に示すものは、接合部分１４に多少の幅が与えられ、励起領域１２ｂと発振領域１２ａが緩やかに一体化している場合を示す。
【００５１】
この場合、励起領域１２ｂの光線が発振領域１２ａに伝播するときに、接合部分１４を通過する光路は前述の接点部分以外に幾多ものルートが考えられる。
【００５２】
つまり、励起領域１２ｂにおいて、ある内接円５９に沿ったスキュー光６０、６１は、接合部分１４を通過するルートによって発振領域１２ａでは大小異なる内接円６３，６４に沿ったスキュー光に変換される。
【００５３】
接合部分１４の中央を通過したスキュー光６０は、発振領域１２ａ内において、内接円５９と同じ直径の内接円６３に沿ったスキュー光になるが、スキュー光６０より浅い角度で発振領域１２ａに伝播するスキュー光６１では、発振領域１２ａにおいて、より大きな直径の内接円６４に沿ったスキュー光に光路変換される。
【００５４】
逆に、接合部分１４をスキュー光６０より深い角度で発振領域１２ａに伝播するスキュー光６２では、発振領域１２ａにおいて、小さな直径の内接円に沿ったスキュー光に光路変換され、図５の一点鎖線で示されるように、コア１１を通過することが出来るスキュー光となり、発振領域１２ａにおいてコア１１に吸収されてしまう。
【００５５】
このように、接合部分１４の幅が拡大したことにより、スキュー光の一部がコア１１を通過することになる。
【００５６】
次に、図６は、接合部分の幅が更に拡大した場合を示す。
【００５７】
この場合、図５と同様の現象が起こるが、図５の場合と比較して、より大きな直径をもつ内接円６５に沿ったスキュー光６６がコア１１を通過できるように光路変換されている。
【００５８】
このように励起領域１２ｂに存在するスキュー光のうち、より大きな直径の内接円に沿ったスキュー光の一部が、発振領域１２ａに伝播してコア１１を通過することが出来るようになる。同時に励起領域１２ｂに存在するスキュー光のうち、小さな直径の内接円に沿ったスキュー光であれば、より大きな確率でコア１１を通過することが出来るようになることがわかる。
【００５９】
最後に図７、図８について説明する。
【００６０】
図７は、図６より融一体化が更に進んだ場合を示す。
【００６１】
この場合、励起領域１２ｂに存在するスキュー光６７，６８，６９の全てが、つまり励起領域１２ｂの円形断面に内接する、子午線光から最もかけ離れたスキュー光６９でさえ、コア１１を通過することが出来るようになる。
【００６２】
励起領域１２ｂの内接接線がコア１１を通過するためには、コア１１と励起領域１２ｂの双方に外接する接線がインナークラッド１２に含まれるまで接合部分の幅７０が拡大する必要がある。
【００６３】
図８は、図７の特殊な場合で、励起領域１２ｂと発振領域１２ａ双方が、溶融一体化後にも正規な円形断面を維持している場合を示している。
【００６４】
この場合、励起領域１２ｂに内接する接線の接点は、励起領域１２ｂと発振領域１２ａの境界上にあり、幾何学的計算で求まるとおり、励起領域１２ｂと発振領域１２ａのそれぞれの円断面中心間距離７４は、コア１１の半径ｒと励起領域１２ｂの半径Ｒを用いて、（ｒ＋Ｒ）×√２と表記できる。以上より、励起光のスキュー光成分が完全になくなるためには、接合部分１４、７０の幅を、図７あるいは図８の状態になるまで拡大することが必要であることがわかる。
【００６５】
以上のように構成されたダブルクラッドファイバ１０と、これを用いたファイバレーザ装置について、図１、図２、図３を用いて、その動作を説明する。
【００６６】
まず、電源２０により駆動されたファイバ付き半導体レーザ２１は、コア１１に添加したレーザ媒質である希土類を励起する波長の励起光を発生する。
【００６７】
励起光は断面が円形のファイバにより伝送され、１Ａ点のインナークラッド１２の励起領域１２ｂに注入される。このとき、インナークラッド１２の励起領域１２ｂの断面形状が、平坦部を持たないので、励起光を効率よくインナークラッド１２の励起領域１２ｂに注入できる。
【００６８】
注入された励起光は、インナークラッド１２の励起領域１２ｂと発振領域１２ａを伝播する。１Ａ点に注入された励起光はインナークラッド１２の励起領域１２ｂと発振領域１２ａを伝播しながら１Ｂ点を経由し、１Ｃ点に達する。この間に励起領域１２ｂと発振領域１２ａの接合部分１４の幅は増加し、コア１１を通過できなかったスキュー光が前述の原理により光路の変更を受け、励起に寄与する光線となる。
【００７０】
さらに、ダブルクラッドファイバの反対側端面についても同様に励起光が注入され、上記と同様にスキュー光の減少が図られる。
【００７１】
励起により生じた光は、高反射端２８と伝送用ファイバ２９の端面で構成する光共振器内で多重帰還増幅されてレーザ光となり、伝送用ファイバ２９の端面から取り出される。
【００７２】
なお、本実施の形態ではインナークラッド１２に平坦部を設けていないが、図９のようにインナークラッド１２の発振領域１２ａに平坦部を設ける構造としても同様の効果が得られる。
【００７３】
以上のように本実施の形態のダブルクラッドファイバおよびファイバレーザ装置は、レーザ媒質を含むコア１１と、コア１１への励起光を伝播するインナークラッド１２と、励起光を閉じ込めるアウタークラッド１３を備え、インナークラッド１２は、励起光が導入される略円形の断面形状を持つ励起領域１２ｂと、コア１１を含む概円形の断面形状を持つ発振領域１２ａから成り、励起領域１２ｂと発振領域１２ａの接合部分１４の幅が長さ方向に沿って変化させたものである。
また、接合部分１４の幅が最大になるときに、コア１１と励起領域１２ｂの双方に外接する接線が、インナークラッド１２に含まれる形状とした。また、発振領域１２ｂの接合部分１４以外の部位に断面形状が平坦となる平坦部を設け、また、１つ以上の励起光入射端面を有し、励起光入射端面からの距離の増加に伴って接合部分１４の幅を増加させた。
【００７４】
このようにダブルクラッドファイバの長さ方向に接合部分の幅が変化するのでインナークラッド内のスキュー光の光路が長さ方向に対して変化し、スキュー光を低減することができるので、効率よくレーザ媒質である希土類を励起でき、効率よくレーザ光を取り出すことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明にかかるダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置は、励起領域と発振領域の接合部分の幅をダブルクラッドファイバの長さ方向に沿って変化させることにより、励起光を効率よく導入できると同時に、インナークラッドを伝播するスキュー光を低減することができるので、ダブルクラッドファイバ及びファイバレーザ装置として有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１０    ダブルクラッドファイバ
１１    コア
１２    インナークラッドクラッド
１２ａ    発振領域
１２ｂ    励起領域
１３    アウタークラッド
１４    接合部分
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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